American Semiconductor astub sammu USA kodumaiste kiipide pakendamise suunas

Viimase aasta laiaulatuslik pooljuhtide puudus on pannud paljud inimesed keskenduma tarneahela vastupidavusele, kutsudes üles suurendama kiipide tootmist USA-s Eelmise aasta juunis senati vastu võetud USA innovatsiooni- ja konkurentsiseadus (USICA) teeb ettepaneku eraldada abi 52 miljardit dollarit. kodumaine pooljuhtide tootmine ja ootab House'i tegevust. Kuigi paljude inimeste jaoks on põhitähelepanu suunatud ränikiipide tootmise kodumaise osakaalu suurendamisele, ei tohiks me tähelepanuta jätta ka kiipide pakkimist – nende kiipide kapseldamise olulist protsessi, et kaitsta neid kahjustuste eest ja muuta need kasutatavaks, ühendades nende vooluahelad välismaailm. See on valdkond, mis on oluline nii tarneahela vastupidavuse kui ka elektroonika tulevaste tehnoloogiliste edusammude säilitamiseks. 

Pakendamine on pooljuhtkiipide kasutatavaks muutmiseks hädavajalik

Integreeritud vooluahela (IC) kiipe toodetakse räniplaatidel mitme miljardi dollari suurustes tehastes, mida tuntakse "fabs" nime all. Üksikud kiibid või "stantsid" toodetakse korduvate mustritena, mida toodetakse partiidena igal vahvlil (ja vahvlipartiide kaupa). 300 mm (umbes 12-tollise läbimõõduga) vahvel, mida tavaliselt kasutatakse kõige kaasaegsemates seadmetes, võib kanda sadu suuri mikroprotsessorikiipe või tuhandeid pisikesi kontrollerikiipe. Tootmisprotsess on segmenteeritud "liini esiotsa" (FEOL) faasiks, mille käigus luuakse miljardeid mikroskoopilisi transistore ja muid seadmeid räni korpuses mustrimis- ja söövitusprotsessidega, millele järgneb "liini tagumine ots". ” (BEOL), millesse on asetatud metalljälgede võrk, mis ühendab kõike. Jäljed koosnevad vertikaalsetest segmentidest, mida nimetatakse "viaadeks", mis omakorda ühendavad juhtmestiku horisontaalseid kihte. Kui teil on kiibil miljardeid transistore (iPhone 13 A15 protsessoris on 15 miljardit), on nende ühendamiseks vaja miljardeid juhtmeid. Igal üksikul matriitsil võib välja venitatud juhtmestik olla kokku mitu kilomeetrit, nii et võime ette kujutada, et BEOL-i protsessid on üsna keerulised. Matriitsi kõige välisele kihile (mõnikord kasutavad nad nii stantsi tagumist kui ka esiosa) panevad disainerid mikroskoopilised padjad, mida kasutatakse kiibi ühendamiseks välismaailmaga. 

Pärast vahvli töötlemist "sondeeritakse" iga kiipi eraldi testmasinaga, et selgitada välja, millised on head. Need lõigatakse välja ja pannakse pakenditesse. Pakett pakub kiibile nii füüsilist kaitset kui ka vahendit elektriliste signaalide ühendamiseks kiibi erinevate ahelatega. Pärast kiibi pakkimist saab selle asetada telefoni, arvuti, auto või muude seadmete elektroonilistele trükkplaatidele. Mõned neist pakettidest peavad olema mõeldud kasutamiseks ekstreemsetes keskkondades, näiteks auto mootoriruumis või mobiiltelefoni tornis. Teised peavad olema kompaktsetes seadmetes kasutamiseks äärmiselt väikesed. Kõikidel juhtudel peab pakendi kujundaja arvestama selliste asjadega nagu materjalid, mida kasutatakse, et minimeerida pinget või stantsi pragunemist või arvestada soojuspaisumist ja seda, kuidas see võib kiibi töökindlust mõjutada.

Varaseim tehnoloogia, mida kasutati ränikiibi ühendamiseks pakendis olevate juhtmetega, oli traadi sidumine, madala temperatuuriga keevitusprotsess. Selle protsessi käigus ühendatakse väga peened juhtmed (tavaliselt kuld või alumiinium, kuigi kasutatakse ka hõbedat ja vaske) ühest otsast kiibil oleva metallpatjadega ja teisest otsast väljapoole viiva metallraami klemmidega. . Protsess sai alguse Bell Labsis 1950. aastatel, kus kõrgel punkttemperatuuril suruti kiibipadjadesse rõhu all väikesed juhtmed. Esimesed masinad, mis seda tegid, said kättesaadavaks 1950. aastate lõpus ja 1960. aastate keskpaigaks töötati alternatiivse tehnikana välja ultraheliliimimine.

Ajalooliselt tehti seda tööd Kagu-Aasias, kuna see oli üsna töömahukas. Sellest ajast alates on välja töötatud automatiseeritud masinaid traadi ühendamiseks väga suurel kiirusel. Samuti on välja töötatud palju muid uuemaid pakkimistehnoloogiaid, sealhulgas üks, mida nimetatakse flip chipiks. Selle protsessi käigus asetatakse mikroskoopilised metallsambad ("põrutatakse") kiibil olevatele padjadele, kui see on veel vahvlil, ning pärast testimist pööratakse hea stants ümber ja joondatakse pakendis olevate sobivate padjadega. Seejärel sulatatakse jooteühenduste sulatamiseks tagasivooluprotsessis. See on hea viis tuhandete ühenduste loomiseks korraga, kuigi peate asju hoolikalt kontrollima, et veenduda, et kõik ühendused on head. 

Viimasel ajal on pakendamine pälvinud palju rohkem tähelepanu. Selle põhjuseks on uute tehnoloogiate kättesaadavaks muutumine, aga ka uued rakendused, mis suurendavad kiipide kasutamist. Eelkõige on soov panna mitu erineva tehnoloogiaga valmistatud kiipi ühte paketti, nn süsteem-paketis (SiP) kiibid. Kuid seda ajendab ka soov kombineerida erinevaid seadmeid, näiteks raadiokiibiga samas paketis olev 5G antenn või tehisintellekti rakendused, milles integreerite andurid arvutuskiipidega. Suured pooljuhtide valukojad, nagu TSMC, töötavad ka "kiipide" ja "fan out pakenditega", samas kui Intel
INTC
mille sisseehitatud multi-die interconnect (EMIB) ja Foverose virnastamistehnoloogia võeti kasutusele Lakefieldi mobiilses protsessoris 2019. aastal.

Enamiku pakendite teevad kolmandatest osapooltest lepingulised tootjad, keda tuntakse OSAT-i (allhankega kokkupanemise ja testimise) ettevõtetena, ning nende maailma keskpunkt asub Aasias. Suurimad OSAT-i tarnijad on Taiwani ASE, Amkor Technology
AMKR
mille peakontor asub Arizonas Tempes, Hiina Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) (mis ostis Singapuris asuva STATS ChipPaci mitu aastat tagasi) ja Taiwani Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL), mille ASE omandas aastal 2015. On palju teisi väiksemaid tegijaid, eriti Hiinas, kes määratles OSATi mõne aasta eest strateegilise tööstusharuna.

Peamine põhjus, miks pakendamine on viimasel ajal tähelepanu pälvinud, on see, et hiljutised Covid-19 puhangud Vietnamis ja Malaisias on oluliselt kaasa aidanud pooljuhtkiipide tarnimise kriisi süvenemisele. Kohalikud omavalitsused on sunnitud sulgema tehaseid või vähendama töötajate arvu, kes on nädalateks tootmist katkestanud või vähendanud. aeg. Isegi kui USA valitsus investeerib toetustesse, et edendada kodumaist pooljuhtide tootmist, läheb enamik neist valmis kiipidest siiski pakendamiseks Aasiasse, kuna seal on tööstus ja tarnijate võrgustikud ning oskuste baas. Seega toodab Intel mikroprotsessorikiipe Oregonis Hillsboros või Arizonas Chandleris, kuid valmis vahvlid saadab katsetamiseks ja pakendamiseks Malaisias, Vietnamis või Hiinas Chengdus asuvatesse tehastesse.

Kas USA-s saab kiibi pakendada?

Kiibipakendite toomine USA-sse seisneb suurtes väljakutsetes, kuna suurem osa tööstusest lahkus Ameerika rannikult peaaegu pool sajandit tagasi. Põhja-Ameerika osakaal ülemaailmses pakenditootmises on vaid umbes 3%. See tähendab, et tarnijate võrgustikke tootmisseadmete, kemikaalide (nagu substraadid ja muud pakendites kasutatavad materjalid), pliiraamide ja, mis kõige tähtsam, kogenud talentide oskusbaasi ettevõtte suuremahulise osa jaoks pole USA-s eksisteerinud. pikka aega. Intel teatas äsja 7 miljardi dollari suurusest investeeringust uude pakendi- ja katsetehasesse Malaisias, kuigi teatas ka plaanist investeerida 3.5 miljardit dollarit oma Foverose tehnoloogiasse Rio Rancho osariigis New Mexico osariigis. Amkor Technology teatas hiljuti ka plaanist suurendada võimsust Bac Ninhis, Vietnamis Hanoist kirdes.

Suur osa USA probleemist seisneb selles, et täiustatud kiibipakendamine nõuab nii palju tootmiskogemust. Tootmise esmakordsel käivitamisel on heade valmis pakendatud laastude saagised tõenäoliselt väikesed ja kui toodate rohkem, täiustate protsessi pidevalt ja saagikus muutub paremaks. Suure kiibi kliendid ei ole üldiselt nõus riskima uute kodumaiste tarnijate kasutamisega, kellel võib kuluda kaua aega, et see tulukõvera välja jõuda. Kui teil on väike pakendisaagis, viskate ära krõpsud, mis muidu oleksid head. Miks kasutada võimalust? Seega, isegi kui me teeme USA-s keerukamaid krõpse, lähevad need tõenäoliselt siiski Kaug-Itta pakendamiseks.

Boise, Idahos asuv American Semiconductor, Inc. kasutab teistsugust lähenemist. Tegevjuht Doug Hackler pooldab "elujõulisel tootmisel põhinevat elujõulist ümberpaigutamist". Selle asemel, et jahtida ainult tipptasemel kiibipakendeid, nagu seda, mida kasutatakse täiustatud mikroprotsessorite või 5G kiipide jaoks, on tema strateegiaks kasutada uut tehnoloogiat ja rakendada seda pärandkiipide puhul, kus on suur nõudlus, mis võimaldab ettevõttel oma protsesse harjutada ja õppida. Pärandkiibid on ka palju odavamad, nii et saagikuse vähenemine ei ole niivõrd elu ja surma probleem. Hackler juhib tähelepanu sellele, et 85% iPhone 11 kiipidest kasutavad vanemaid tehnoloogiaid, näiteks toodetud 40 nm või vanemates pooljuhtsõlmedes (mis oli kümme aastat tagasi kuum tehnoloogia). Tõepoolest, paljud praegu autotööstust vaevavad kiibipuudused ja teised on nende pärandkiipide jaoks. Samal ajal püüab ettevõte rakendada kokkupanekuetappidel uut tehnoloogiat ja automatiseerimist, pakkudes üliõhukesi kiibiga pakendeid, kasutades nn pooljuht polümeeril (SoP) protsessi, mille käigus stantsi täis vahvel seotakse tagumine polümeer ja asetatakse seejärel termoülekandelindile. Pärast tavaliste automatiseeritud testeritega testimist lõigatakse kiibid lindikanduritele kuubikuteks ja kantakse kiireks automaatseks kokkupanekuks rullidele või muudesse vormingutesse. Hackler arvab, et see pakend peaks olema atraktiivne asjade Interneti (IoT) seadmete ja kantavate seadmete tootjate jaoks – kaks segmenti, mis võivad tarbida suures koguses kiipe, kuid ei ole räni valmistamise poolel nii nõudlikud.

Hackleri lähenemisviisi juures köidavad kaks asja. Esiteks tagab nõudluse olulisuse teadvustamine tootmisliini mahu suurendamiseks, et nad saavad saagikuse parandamiseks palju praktikat. Teiseks kasutavad nad uut tehnoloogiat ja tehnoloogia üleminek on sageli võimalus turgu valitsevate operaatorite kohalt vabastamiseks. Uutel tulijatel ei ole pagasit, et olla seotud olemasolevate protsesside või rajatistega. 

American Semiconductoril on veel pikk tee käia, kuid sellised lähenemisviisid arendavad koduseid oskusi ja on praktiline samm kiibipakendite toomisel USA-sse. Ärge oodake, et kodumaise võimekuse loomine oleks kiire, kuid see pole halb koht alustada.